Realizacija

Raziskave v sklopu projekta so sledile trem glavnim ciljem, in sicer: i) razvoj naprednih sinteznih konceptov, algoritmov in strategij za reševanje širokega nabora problemov, ii) modeliranje in razvoj orodij za ter razvoj samega računalniškega MINLP sinteznega okolja z MIPSYN-Global in iii) aplikacija MINLP sinteznega okolja na prehrambnih oskrbovalnih verigah in proizvodnji zelenih produktov.

1) Razvoj naprednih sinteznih konceptov, algoritmov in strategij za reševanje širokega nabora problemov. Razvili smo pristop za globalno optimiranje nekonveksnih problemov, ki vsebujejo bilinearne člene. Pristop temelji na transformaciji bilinearnih členov v elementarne funkcije posameznih spremenljivk [1]. Razvili smo metode za iskanje sinergističnih rešitev, pri čemer smo hkrati upoštevali proizvodnjo in soproizvodnjo toplote in elektrike v sklopu celotne dobavne verige [2-3]. Razvili smo različne večstopenjske pristope za sintezo toplotno integriranih vodnih omrežij. Dvostopenjski pristop, pri katerem del modela za toplotno integracijo v prvi stopnji lineariziramo in tako izberemo najbolj obetavne rešitve. V drugi stopnji izvajamo podrobno mešano celoštevilsko nelinearno (MINLP) optimiranje na zmanjšanem modelu [4]. Enostopenjski model, pri katerem vnaprej določimo število možnih toplotnih prenosnikov [5]. Razvili smo pravila za optimalno integracijo absorpcijskega hladilnika v toplotno integriran proces [6]. Razvili smo več perioden mešano celoštevilski linearni model (MILP) za sintezo trajnostnih oskrbovalnih mrež [7]. Izvedena je bila izboljšava algoritma za optimalno sintezo fleksibilnih procesov z velikim številom negotovih parametrov, ki omogoča integracijo fleksibilnosti v sintezno orodje MIPSYN-Global [8]. Izvedena je bila raziskava, kako davek na emisije CO₂ vpliva na optimalne rezultate sinteze procesov s superstrukturnim pristopom MINLP optimiranja. Izdelan je bil večperidoni, dvostopenjski stohastični model za vključitev negotovih vrednosti davka na emisije CO₂, ki omogoča sinteze dolgoročno optimalnih in trajnostnih procesov [9].

Reference:
[1] M. Bogataj and Z. Kravanja, “Global optimization of bilinear programs by elementary functions substitutions,” in 30th Symposium on computer aided process engineering: [ESCAPE30, Milano, Italy, from May 24 to 27], 2020, pp. 1969–1974. COBISS ID-27529987
[2] A. Nemet, T. G. Walmsley, E. Ahmetović, and Z. Kravanja, “Process synthesis and simultaneous heat and electricity integration to reduce consumption of primary energy sources,” in 30th Symposium on computer aided process engineering: [ESCAPE30, Milano, Italy, from May 24 to 27], 2020, pp. 902–906. COBISS ID-27601411
[3] A. Nemet and Z. Kravanja, “Synergistic effects of performing process synthesis with heat, electricity, shaft work and mass integration,” Chemical engineering transactions, no. 81, pp. 1027–1032, 2020, [Online]. Available: doi:10.3303/CET2081172. COBISS ID-26125315
[4] A. Nemet, N. Ibrić, M. Bogataj, E. Ahmetović, and Z. Kravanja, “Simultaneous synthesis of heat-integrated water network with the two-step approach,” Chemical engineering transactions, no. 94, pp. 1351–1356, 2022, [Online]. Available: doi:10.3303/CET2294225. COBISS ID-121080579
[5] N. Ibrić, E. Ahmetović, A. Nemet, Z. Kravanja, and I. E. Grossmann, “Synthesis of Heat-Integrated Water Networks Using a Modified Heat Exchanger Network Superstructure,” Energies, vol. 9, 3158, p. 23, 2022, [Online]. Available: doi:10.3390/en15093158. COBISS ID-142928643
[6] A. Nemet, Z. Kravanja, and M. Bogataj, “Integration of an absorption chiller to a process applying the pinch analysis approach,” Processes, vol. 10, no. 5, p. 25, 2022, [Online]. Available: doi:10.3390/pr10051028. COBISS ID-109790467
[7] S. Potrč, L. Čuček, M. Martín, and Z. Kravanja, “Sustainable renewable energy supply networks optimization – the gradual transition to a renewable energy system within the European Union by 2050,” Renewable & sustainable energy reviews, vol. 146, pp. 1–16, 2021, [Online]. Available: doi:10.1016/j.rser.2021.111186. COBISS ID-64099075
[8] K. Zirngast, Z. Kravanja, and Z. Novak-Pintarič, “An improved algorithm for synthesis of heat exchanger network with a large number of uncertain parameters,” Energy, vol. 233, p. 10, 2021, [Online]. Available: doi:10.1016/j.energy.2021.121199. COBISS ID-67612163
[9] K. Zirngast, Z. Kravanja, and Z. Novak-Pintarič, “The influence of variable CO2 emission tax rate on flexible chemical process synthesis,” Processes, vol. 9, no. 10, p. 16, 2021, [Online]. Available: doi:10.3390/pr9101720. COBISS ID-79330819

2) Modeliranje in razvoj orodij za ter razvoj samega MINLP sinteznega okolja z MIPSYN-Global. Raziskali temeljne zahteve optimizerja in lupine MIPSYN-Global ter zasnovali in razvili trinivojsko pilotno orodje za modeliranje kemijskih procesnih shem MIPSYN-Global-Modeler. Orodje vključuje sistemsko bazo podatkov in ustrezen grafični uporabniški vmesnik (GUI). Orodje je opremljeno s podatkovnimi vmesniki za strukturiranje in upravljanje vhodno izhodnih datotek visoko nivojskih modelirnih sistemov MIPSYN, GAMS in ASPEN [10]. Krožna sinteza trajnostnih (bio)kemijskih procesov na osnovi obnovljivih virov je pomembno področje raziskav, ki lahko koristi od uporabe mikro-, mezo- in makro-nivojskega modeliranja ter več nivojskega modeliranja. V tem kontekstu je bila razvita in uporabljena metoda Lattice Boltzmann (LBM), ki je kombinirana z makro-modeli za analizo različnih vidikov kemijskih in biokemijskih procesov [11]. Poleg več nivojskega modeliranja lahko analiza časovnih nivojev in karakterističnih časov zelo prispeva k razumevanju in optimizaciji kemijskih in biokemijskih procesov na mikro nivoju. S poznavanjem in določevanjem prevladujočih karakterističnih časov je mogoče optimirati procesne parametre in izboljšati skupno procesno učinkovitost [12, 13]. Ena od možnih aplikacij LBM je v načrtovanju in optimizaciji mikro reaktorjev za kemijske in biokemijske procese. Poleg tega se lahko LBM uporablja tudi za načrtovanje in optimizacijo tekočinsko-tekočinskih mikro-separatorjev brez membran, ki se uporabljajo pri različnih procesih ločevanja. [14–17]. Na področju kemijske kinetike smo uporabljali napredne kvantno-mehanske izračune ter teorijo gostotnega funkcionala v kombinaciji s fleksibilnimi baznimi seti ter implicitnimi modeli topila za napoved konstant reakcijskih hitrosti [18–22].

Reference:
[10] M. Bogataj, Z. Kravanja, A. Soršak, B. Slemnik, U. Klemenčič, and S. Jurič, “MIPSYN-global: process synthesis enabled by graphical modelling,” Chemical engineering transactions, no. 88, pp. 631–636, 2021, [Online]. Available: doi:10.3303/CET2188105. COBISS ID-87358211
[11] F. Strniša, T. Vikram Sagar, P. Djinović, A. Pintar, and I. Plazl, “Ni-containing CeO [sub] 2 rods for dry reforming of methane: activity tests and a multiscale lattice Boltzmann model analysis in two model geometries,” Chemical engineering journal, no. 413, pp. 1–13, 2021, [Online]. Available: doi:10.1016/j.cej.2020.127498. COBISS ID-34724867.
[12] G. N. Jovanovic, M. Coblyn, and I. Plazl, “Time scale analysis & characteristic times in microscale-based chemical and biochemical processes. Part 1, Concepts and origins,” Chemical Engineering Science, no. 238, pp. 1–10, 2021, [Online]. Available: doi:10.1016/j.ces.2021.116502. COBISS ID-50868739
[13] G. N. Jovanovic, M. Coblyn, and I. Plazl, “Time scale analysis & characteristic times in microscale-based chemical and biochemical processes. Part 2, Bioreactors with immobilized cells, and process flowsheet analysis,” Chemical Engineering Science, no. 236, pp. 1–16, 2021, [Online]. Available: doi:10.1016/j.ces.2021.116499. COBISS ID-50883331
[14] A. Hubman, I. Plazl, and T. Urbič, “Inertial focusing of neutrally buoyant particles in heterogenous suspensions,” Journal of molecular liquids, no. 328, pp. 1–7, 2021, [Online]. Available: doi:10.1016/j.molliq.2021.115410. COBISS ID-48091395
[15] I. Pribec, A. Hubman, T. Urbič, and I. Plazl, “A discrete reactive collision scheme for the lattice Boltzmann method,” Journal of molecular liquids, no. 332, pp. 1–12, 2021, [Online]. Available: doi:10.1016/j.molliq.2021.115871. COBISS ID-54541827
[16] F. Strniša, P. Žnidaršič Plazl, and I. Plazl, “Lattice Boltzmann modeling-based design of a membrane-free liquid-liquid microseparator,” Chemical and biochemical engineering quarterly, vol. 34, no. 2, pp. 73–78, 2020, [Online]. Available: doi:10.15255/CABEQ.2020.1781. COBISS ID-24458755
[17] F. Strniša, T. Urbič, and I. Plazl, “A lattice Boltzmann study of 2D steady and unsteady flows around a confined cylinder,” Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, vol. 42, no. 2, pp. 1–13, 2020, [Online]. Available: doi:10.1007/s40430-020-2176-y. COBISS ID-1538517699
[18] A. Štern, V. Furlan, M. Novak, M. Štampar, Z. Kolenc, K. Kores, U. Bren, “Chemoprotective effects of xanthohumol against the carcinogenic mycotoxin aflatoxin B1,” Foods, vol. 10, no. 6, pp. 1–19, 2021, [Online]. Available: doi:10.3390/foods10061331. COBISS ID-66572035
[19] E. Španinger and U. Bren, “Carcinogenesis of [beta]-propiolactone: a computational study,” Chemical research in toxicology, vol. 33, no. 3, pp. 769–781, 2020, [Online]. Available: doi:10.1021/acs.chemrestox.9b00389. COBISS ID-23048726
[20] V. Furlan and U. Bren, “Protective effects of [6]-gingerol against chemical carcinogens: mechanistic insights,” International journal of molecular sciences, vol. 21, no. 3, pp. 1–20, 2020, [Online]. Available: doi:10.3390/ijms21030695. COBISS ID-22965270
[21] G. Hostnik, M. Gladović, and U. Bren, “Tannin basic building blocks as potential scavengers of chemical carcinogens: a computational study,” Journal of natural products, vol. 82, no. 12, pp. 3279–3287, 2019, [Online]. Available: doi:10.1021/acs.jnatprod.9b00435. COBISS ID-22852374
[22] J. Tošović and U. Bren, “Antioxidative action of ellagic acid – a Kinetic DFT study,” Antioxidants, vol. 9, no. 7, pp. 1–13, 2020, [Online]. Available: doi:10.3390/antiox9070587. COBISS ID-21913603

3) Aplikacija MINLP sinteznega okolja na prehrambnih oskrbovalnih verigah in proizvodnji zelenih produktov. Izvedena je bila analiza izgub hrane, kar omogoča oceno njenega potenciala za proizvodnjo bioplina z anaerobno digestijo in trdnega biogoriva s procesom torefikacije [23]. Analizirani so bili trendi na področju načrtovanja procesov z vključevanjem konceptov trajnostnega razvoja. Izpostavljene so najbolj nujne usmeritve za procesno industrijo v prihodnosti, to so zajem, skladiščenje in uporaba CO₂, razvoj računalniških orodij za analizo, simulacijo, sintezo in optimizacijo procesov, ničelni odpadki, krožno gospodarstvo in učinkovita raba virov [24]. Izvedeno je bilo preliminarno načrtovanje tehnologije za pretvorbo kmetijskih odpadkov v tekoče gnojilo [25]. Izveden je bil pregled stanja znanosti na področju avtomatizirane optimizacije pretočnih sistemov oz. mikroprocesov. Identificirana so bila najustreznejša analitična orodja, ki so potrebna za izboljšanje eksperimentalnega dela pri načrtovanju in sintezi mikroprocesov s kombiniranim laboratorijskim pristopom (mikronaprave) in matematičnim programiranjem (MIPSYN-Global) [26]. Izdelan je bil konceptualni okvir za načrtovanje in sintezo mikroprocesov s povezavo laboratorijskih eksperimentov na mikroprocesni opremi in matematičnega programiranja v okolju MIPSYN-Global [27]. Z uporabo različnih trajnostnih kriterijev smo izvedli optimizacijo oskrbovalnih mrež z biogorivi in bioprodukti na primeru Evropske unije [28]. Raziskavo smo nadgradili s sintezo oskrbovalnega omrežja električne energije iz obnovljivih virov, kjer smo upoštevali postopno tranzicijo na trajnosten elektroenergetski sistem [29, 30]. Z več periodno optimizacijo trajnostnih in regenerativnih oskrbovalnih mrež so bile določene optimalne surovine, lokacije in tehnologije za proizvodnjo biogoriv in električne energije ter toplote iz obnovljivih virov energije in odpadkov. Osredotočili smo se na sintezo regenerativnih energetskih oskrbovalnih mrež, kjer smo z napovedovalnim modelom prikazali scenarije za doseganje negativnih neto emisij CO₂ na letni ravni in njihovo korelacijo z atmosfersko koncentracijo ogljikovega dioksida [31]. Ovrednotili smo okoljske vplive tehnologij proizvodnje, shranjevanja in transporta vodika [32].

Reference:
[23] J. Drofenik, D. Urbancl, B. Pahor, D. Goričanec, Z. Kravanja, and Z. Novak-Pintarič, “Potential for production of energy and valuable products from food loss and waste in Slovenia,” Chemical engineering transactions, no. 94, pp. 1063–1068, 2022, [Online]. Available: doi:10.3303/CET2294177. COBISS ID-121090307
[24] P. Glavič, Z. Novak-Pintarič, and M. Bogataj, “Process design and sustainable development – a European perspective,” Processes, vol. 9, no. 1, pp. 1–23, 2021, [Online]. Available: doi:10.3390/pr9010148. COBISS ID-46950915
[25] Z. Novak-Pintarič, M. Bogataj, B. Pahor, and M. Simonič, “Preliminary design of optimized heat integrated two-stage vacuum evaporation for processing digestate from biogas plant,” Thermal science, pp. 1–14, 2020, [Online]. Available: doi:10.2298/TSCI200401283N. COBISS ID-30660867
[26] A. Verdnik, Z. Novak-Pintarič, and Z. Kravanja, “Automated design of experiments within a conceptual framework for the design and synthesis of microprocess systems,” 5th International Conference on Technologies & Business Models for Circular Economy, [September 12th to September 14th 2022, Portorož, Slovenia]: book of abstracts. University of Maribor, University Press; Faculty of Chemistry and Chemical Engineering, pp. 179–181, 2022. [Online]. Available: https://dk.um.si/Dokument.php?id=162201&lang=slv. COBISS ID-122311939
[27] A. Verdnik, Z. Novak-Pintarič, and Z. Kravanja, “Process intensification with microprocess engineering,” Chemical engineering transactions, no. 94, pp. 589–594, 2022, [Online]. Available: doi:10.3303/CET2294098. COBISS ID-121079299
[28] S. Potrč, L. Čuček, M. Martín, and Z. Kravanja, “Synthesis of european union biorefinery supply networks considering sustainability objectives,” Processes, vol. 8, no. 12, pp. 1–25, 2020, [Online]. Available: doi:10.3390/pr8121588. COBISS ID-40957443
[29] S. Potrč, L. Čuček, Ž. Zore, and Z. Kravanja, “Synthesis of large-scale supply networks for complete long-term transition from fossil to renewable-based production of energy and bioproducts,” Chemical engineering transactions, no. 81, pp. 1039–1044, 2020, [Online]. Available: doi:10.3303/CET2081174. COBISS ID-26129923.
[30] S. Potrč, A. Nemet, L. Čuček, and Z. Kravanja, “Energy integration within sectors to improve the efficiency of renewable energy system within the EU,” Chemical engineering transactions, no. 88, pp. 1153–1158, 2021, [Online]. Available: doi:10.3303/CET2188192. COBISS ID-87412483
[31] S. Potrč, A. Nemet, L. Čuček, P. Varbanov, and Z. Kravanja, “Synthesis of a regenerative energy system – beyond carbon emissions neutrality,” Renewable & sustainable energy reviews, vol. 169, p. 14, 2022, [Online]. Available: doi:10.1016/j.rser.2022.112924. COBISS ID-122618883
[32] R. Hren, A. Vujanović, Y. Van Fan, D. Krajnc, J. Klemeš, and L. Čuček, “Hydrogen production, storage and transport for renewable energy and chemicals: An environmental footprint assessment,” Renewable & sustainable energy reviews, vol. 173, p. 18, 2023, doi:10.1016/j.rser.2022.113113. COBISS ID- 136398851